水既是重大民生關切,更是未來科學前沿

胡鈞-納米氣泡

?? 胡鈞 教授

排列三走势图南方双彩网带连线 www.xbnoxh.com.cn 男,博士生導師,生物醫學工程專家

上海交通大學“長江學者獎勵計劃”特聘教授

中科院上海應用物理研究所副所長

中科院微觀界面物理與探測重點實驗室常務副主任

導言

這個世界上或許很少有一樣物質像水那樣,與人類的關系如此緊密,但迄今人們對它的本質的了解仍極其有限。

自然科學的門類已經發展到數以千計,與水有關的應用研究分支也難記其數,但以水為研究對象的學科——水科學卻遲遲未能確立。

盡管如此,在世界、在中國一直有一批牽掛“水”并傾力推動水科學研究的學者。

在這些鐘情水研究的學者中,中科院上海高等研究院、中科院上海應用物理研究所的胡鈞研究員應是最執著的一位。

得悉他剛從北京參加完楊國楨院士主持的中國水科學發展戰略研究研討會回到上海,本刊“大家·科技前沿”欄目專訪了胡鈞,請他介紹水科學研究的近況及其價值。

 

本文轉載自【大家·科技前沿】欄目??? 作者:江世亮

 

Q? 什么是“水科學”?其主要研究的是什么?

A? 回答這個問題,我想引用前不久在北京中科院物理所召開的水科學發展戰略研究研討會會議紀要上一段話:

水是自然界基本而重要的物質,也是人們研究最多卻仍不完全理解的物質。

相對于宏觀層次上與社會問題密切相關的水資源、水污染、水利用等環境科學與工程研究,關于水的分子層次上的基礎科學研究剛剛興起,目前還不為人們所熟悉。

在科研活動中,從分子層次上討論水及水與各類物質的相互作用的理論和實驗研究是當前科學研究的重要前沿,是物理、化學、生物、醫學、環境等多學科發展的基??;

在實際應用中,不管是在關乎基礎民生的水凈化方面,還是在作為高科技發展的可再生能源獲取和利用方面,水科學基礎研究都起著關鍵作用。

目前制約社會發展的一些關鍵能源、環境、醫藥等問題,都可望從水基礎研究中找到解決方法。

然而這些方案投入大規模應用的瓶頸問題是缺乏價格低廉、高效率的材料和器件,亟需從基礎科學的層面,特別是水與物質界面相互作用機理方面尋求突破。

以上表述也是這個會上大家對水科學研究的意義形成的共識。

 

Q 您因何種機緣開始涉足水科學研究?

A? 我關注與水有關的研究已有20余年。

90年代受中科院公派,我到美國勞倫·伯克利實驗室做為期兩年的高訪研究,回國后就想做納米水層的工作,申請了基金委一個面上項目,但可能過于超前,申請未果。

當時國家對陽光、空氣的前沿研究都有戰略布局,但還沒有系統的水科學國家項目。

這可能是因為當時比較大的科研立項一般是要看國際上有沒有人做過這方面的課題,而水問題在發達國家不像中國那么迫切和重要,他們沒有列入自己國家的重大科技戰略,這樣國內立項也就沒有經驗可循。

當時有領導提出,中國要自己開創一個科學研究領域,我們行嗎?這種缺乏自信的情況到2005年前后有所改觀。

隨著國內前沿基礎的投入增加,大家可以更普遍地開展國際前沿研究工作了,包括納米水層在內的一些與水相關的研究課題也得到了資助。

2007年底,我所在的中科院上海應用物理所召開了首次水科學討論會,吸引了國際上20幾個領域內的大牛參會,會議討論激烈精彩,特別對水的結構有很大爭議,這種激烈爭論的氛圍對國內參會者震動很大。

此后,通過楊國楨院士和沈元壤院士等一批有較大影響力的資深科學家的支持和推動,時任中科院領導同意立項先行支持,以期把國內水科學研究的隊伍建立起來,這也是中科院當時較少的純基礎科學研究的重大項目之一。

后來在大家的努力下,也得到了國家基金委重大項目的支持。

 

Q 您一開始提到的納米水層課題,也是水科學研究的內容吧,能否介紹一下?

A 所謂納米水層研究就是從納米這個層級上研究水的一些新現象,進而加深對水的本質的理解。

我早期發現納米水層可以呈現“室溫下結冰”的新現象,而最近幾年的工作集中在納米氣泡方面。

這個課題從22年前一個朦朧的想法,如今已拓展到一個正在形成的實實在在的科學前沿領域,而且是主要由中國科學家積極推動、并開始得到多個國家科學共同體響應的新領域。

納米氣泡這一現象是1996年初我在做單分子表面成像時,為了得到高分辨率,在去掉兩層細胞膜中的一層時發現的。

這種納米級氣泡在實驗中穩定存在,在原子力顯微鏡下能看到,這與傳統理論認為的“納米級氣泡是不穩定的”相悖。但為什么它的存在迄今為止理論上仍給不出合理解釋?

窺見到這一獨特而陌生的現象,我很興奮。

1999年在首爾參加國際會議時,我展示了納米氣泡的圖像。2000年這個工作發表在美國《真空科學與技術》雜志上,這也是這個領域直接觀測到納米氣泡的第一篇文章。

后來日本、澳大利亞科學家也先后報道了納米氣泡的工作。2004年,我在交大的博士生張雪花又用真空脫氣方法更系統地重復了這一實驗,進一步肯定了納米氣泡的存在,發表了影響力更大的文章。

2004年,我在一次中德交流會上介紹了納米氣泡的工作,一個與會的德國科學家很興奮,他對氧氣如何有效進入細胞很關注,因為氧氣快速有效進入細胞對治療癌癥非常有價值。

原來大家設想是否存在有氧氣進入細胞的膜通道,但相關研究進展不大,而納米氣泡或許能開辟一條氧氣進入細胞的途徑。

這樣,陸續就有在澳大利亞、德國、中國的科學家開始研究納米氣泡,并逐步形成了一個納米氣泡研究的小領域。

2012年、2014年、2017年和2018年先后在法國、中國上海、澳大利亞和中國蘇州召開過4次納米氣泡國際會議,現在納米氣泡領域每年論文發表量已達到百篇以上。

在2014年的國際會議上,我提議籌建納米氣泡國際學術組織為大家所接受,目前這個國際納米氣泡學會(籌)已開展活動。國內也成立了中國微納米氣泡技術委員會。

如果說水科學的工作目前還處在基礎研究的早期階段,但水與界面領域的納米氣泡研究已經更接近于實用,而且這個領域目前中國可能領頭,一個重要的原因是中國現階段的發展對納米氣泡的應用需求更大。

 

Q經過這些年的醞釀、推動,我國水科學目前的情況如何,是否已到了發力階段?

A在各方的努力下,水科學方面的工作在中國漸見雛形。這主要得益于一批德高望重的科學家的支持,我很感動。

由于這是很前沿的研究,發達國家都還沒有重大計劃,所以我們無法參照,缺乏可借鑒的經驗,需要自己一步步探索。

水科學對中國的意義又特別重大,因此早晚會成為一個主流科學,這已成為這個領域更多研究者的共識。

接下來如何具體推進需要從不同層面著手,我覺得至少要考慮與解決真問題結合起來,即水科學的前沿研究要與當下水治理的真問題掛鉤。

如果能通過水科學研究對水的理解更深入,從而對水污染治理產生一些顛覆性技術的話,那么水科學的地位提高和受重視就是水到渠成的事。

譬如無論納米水層、還是納米氣泡,都是試圖揭示自然現象背后規律的同時關注現實:現在水體底部缺氧是大問題,河道變臭,珊瑚礁死亡已是世界性難題。

以往人們把氧加到水底以期改變水體污染的努力之所以見效甚微,其原因在于氧很難進入水底且長時間固定,又不對生態造成太大的干擾。

納米氣泡原理上可以解決這些問題,200納米以下的氣泡基本上可以忽略浮力的影響,可以在水下以布朗運動隨意擴散。

我們實驗室和其他實驗室的小試結果很成功。相信通過產業界的介入,會使這一技術加快成熟,用于水體底泥原位修復,而且幾乎不用化學材料。

2018年10月結束的第4屆納米氣泡國際會議上已達成共識,認為納米氣泡有可能成為水體修復的顛覆性技術。

2018年10月30日北京水科學發展戰略研究研討會上,與會專家形成了一份《關于加強水基礎科學研究和學科發展的政策建議》初稿,提出加強對水基礎科學研究的重視、支持和宣傳,組建水科學研究中心,建立水科學人才培養體系和加強水科學的國際合作等具體任務。

這也是國內科學共同體對水科學的明確支持。

我在這里也想借此發出呼吁,希望有更多對水科學感興趣的人一起參與其中。

目前已經到了這樣一個階段,即由中國科學家領頭開創一個新方向、新領域正在變得越來越可行,也越來越重要。

這樣堅持數年、幾十年,中國科學一定會走到前面。

我們期待著這一天的早日到來。